Enzymaktivitet plottad mot pH

Enzymer är biologiska katalysatorer. Det vill säga de är proteiner som produceras i levande organismer som hjälper kemiska reaktioner. Utan enzymer skulle de kemiska reaktionerna i din kropp inte fortgå tillräckligt snabbt för att hålla dig vid liv. Varje enzym har optimala driftsförhållanden - den miljö som gör att de kan arbeta med maximal effektivitet. En av de viktigaste miljöparametrarna som påverkar enzymaktiviteten är pH-värdet, varvid varje enzym har ett unikt optimalt värde.

Enzymer fungerar genom att sänka aktiverings energi av en kemisk reaktion. Du kan tänka dig en kemisk reaktion som något som att sätta en bönsäck i en hink, förutom att det finns en 10-fots vägg mellan bönsäcken och hinken. Du kan klättra över väggen och sätta bönsäcken i hinken, men om du hade hjälp av ett enzym skulle väggen bara vara 2 meter hög istället för 10 eller 100 eller 1000. Det slutliga resultatet är detsamma oavsett hur hög väggen är, men du kommer att kunna lägga mycket mer bönsäckar i hinkar om väggen är låg. Detsamma med enzymer: den slutliga kemiska produkten är densamma med eller utan ett enzym, men många fler reaktioner kommer att hända om enzymet finns där.

Vi tänker på pH som ett mått på surhet, vilket det är. Vinäger är lite surt, så det har ett pH på cirka 4, medan bakpulver är grundläggande och har ett pH på cirka 8. En neutral lösning - varken sur eller basisk - har ett pH på 7.

På molekylär nivå kan pH vara något annorlunda. Ett lågt pH betyder att det finns många extra protoner i en lösning, medan ett högt pH betyder att det finns mycket hydroxidjoner - syre och väte tillsammans. Vid lågt pH kommer de positiva laddningarna av protonerna i lösningen att lockas till regioner med negativ laddning, och de kommer att häfta fast. Vid högt pH kommer OH-jonerna, som är negativa, att söka efter positiv laddning och låsa fast.

Enzymer är komplicerade proteiner som för samman komponentatomer eller molekyler på precis rätt sätt för att sänka aktiveringsenergin. De kan göra detta på grund av hur de är formade. Formen på ett protein beror delvis på elektrostatisk attraktion mellan dess olika delar. Till exempel har vissa delar en något negativ laddning och några lite positiva, så de regionerna i proteinet är böjda mot varandra.

I lösningar med lågt pH ansluter de extra positiva laddningarna till negativa regioner av proteiner. I lösningar med högt pH hakar de extra negativa laddningarna fast i ett proteins positiva regioner. När de hakar fast elimineras den elektrostatiska attraktionen och proteinet ändrar form. Eftersom ett enzyms aktivitet beror på dess form kommer det att sakta ner och slutligen sluta fungera när pH blir för lågt eller för högt.

Olika enzymer fungerar i regioner med distinkt pH. Mageenzymer fungerar till exempel bäst vid ett lågt pH på cirka 2. Men oavsett det specifika pH-värdet där ett enzym fungerar bäst, är enzymaktiviteten låg vid det lägsta pH-värdet och ökar till ett maximum vid det optimala pH-värdet. Reaktionshastigheten minskar sedan när pH stiger. Inom ett smalt område runt det optimala kan enzymet återhämta sin aktivitet om pH återställs till det optimala. Men utanför detta intervall kommer enzymets form att vara så förvrängd att det inte kan återgå till det normala.